5000型鉆機(jī)創(chuàng)新研制技術(shù)

周治民

（中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050）

5000型鉆機(jī)創(chuàng)新研制技術(shù)

周治民

（中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050）

5000型液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)是用于橋梁超大直徑、深海長(zhǎng)樁、硬巖地質(zhì)的鉆孔樁鉆孔施工關(guān)鍵設(shè)備。其最大鉆孔直徑5 m、最大扭矩45 t m、最大鉆深180 m，是國(guó)內(nèi)最大的橋梁鉆孔樁施工鉆機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)和性能滿足平潭海峽大橋4 m、4.5 m大直徑鉆孔樁施工要求，并預(yù)留滿足未來(lái)沿海橋梁大直徑鉆孔樁施工要求。

5000型鉆機(jī)；大直徑鉆孔樁；基礎(chǔ)施工；平潭大橋

1 鉆機(jī)研制背景

1.1 項(xiàng)目施工需要

平潭海峽公鐵兩用跨海大橋主墩基礎(chǔ)采用φ4.0 m、φ4.5 m兩種超大直徑柱狀鉆孔支承樁，屬國(guó)內(nèi)首次。該橋施工區(qū)域夏有臺(tái)風(fēng)、冬有季風(fēng)，1年刮6級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)達(dá)330天，而橋梁基礎(chǔ)施工占時(shí)較大，更需先進(jìn)鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)快速施工。

目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有最大橋梁鉆機(jī)為4000型鉆機(jī)，其當(dāng)巖層強(qiáng)度≤120 MP a時(shí)最大鉆孔直徑為φ4.0 m（當(dāng)巖層強(qiáng)度≤200 MP a時(shí)最大鉆孔直徑為φ3.5 m），最大扭矩為30 t·m，最大鉆孔深度為130 m，其最大鉆孔直徑和扭矩能力均不能滿足平潭大橋鉆孔樁施工要求。

1.2 行業(yè)發(fā)展需要

鉆機(jī)廣泛地應(yīng)用于大型橋梁、風(fēng)電建設(shè)、建筑等領(lǐng)域的基礎(chǔ)施工，橋梁鉆機(jī)制造商有德國(guó)B A UE R公司和WI RT H公司、英國(guó)S E A C ORE公司、韓國(guó)B UMA公司等，國(guó)內(nèi)有武橋重工公司等。國(guó)內(nèi)外橋梁鉆機(jī)鉆徑均不超過(guò)φ4.0 m，超過(guò)φ4.0 m的樁需多級(jí)擴(kuò)孔施工，成孔效率低、能耗大，不滿足現(xiàn)在快速成孔、快速施工、節(jié)能環(huán)保施工的要求。隨著超大建筑物發(fā)展趨勢(shì)，鉆機(jī)需向滿足超大、超深樁基施工需要發(fā)展。

綜上，為滿足平潭大橋樁基施工要求，以及適應(yīng)和推動(dòng)未來(lái)江河湖泊和沿海橋梁超大直徑、超深鉆孔樁基礎(chǔ)施工技術(shù)發(fā)展，研制了國(guó)內(nèi)最大的鉆機(jī)5000型鉆機(jī)，最大鉆孔直徑φ5.0 m，最大扭矩45 t·m，最大鉆孔深度180 m。

2 鉆機(jī)技術(shù)方案

2.1 方案概述

5000型鉆機(jī)（見(jiàn)圖1）主要由鉆機(jī)鋼結(jié)構(gòu)、動(dòng)力頭及滑移橫梁、鉆具、液壓站、電氣控制系統(tǒng)及司機(jī)室等組成。其工作原理為：通過(guò)動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)切削、破碎孔底巖石或泥土，并通過(guò)氣舉反循環(huán)方式排出鉆渣，不斷鉆進(jìn)形成樁孔。其動(dòng)力傳遞為：電動(dòng)機(jī)→液壓泵→液壓馬達(dá)→動(dòng)力頭→鉆桿→鉆頭。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)（見(jiàn)表1）

圖15000 型鉆機(jī)外觀圖

3 鉆機(jī)創(chuàng)新關(guān)鍵技術(shù)

（1）鉆孔直徑大、鉆孔深度大、扭轉(zhuǎn)大，是國(guó)內(nèi)最大的橋梁鉆孔樁基礎(chǔ)施工鉆機(jī)，核心參數(shù)達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際前列。

（2）研制的 8臺(tái)5000型鉆機(jī)已成功完成了平潭大橋4 m、4.5 m鉆孔樁施工，實(shí)踐證明成孔效率高、成孔質(zhì)量好。其4.5 m鉆徑刷新了國(guó)內(nèi)橋梁鉆孔樁最大直徑記錄（此前最大為3.8 m直徑）。

（3）鉆架立柱采用箱型結(jié)構(gòu)，采取有限元分析方法優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度和剛度更大，提高了抵抗動(dòng)力頭扭矩的能力。底盤(pán)與鉆架的連接耳座設(shè)計(jì)有對(duì)位梯形槽，安裝鉆架時(shí)對(duì)準(zhǔn)梯形槽后連接銷(xiāo)軸自動(dòng)對(duì)位，安裝方便快捷。鉆架與底盤(pán)連接銷(xiāo)軸設(shè)置了快速插拔銷(xiāo)裝置，方便鉆架倒架插拔銷(xiāo)，減小人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鉆機(jī)自動(dòng)化程度和施工效率。

（4）底盤(pán)設(shè)置有調(diào)平裝置，能滿足底盤(pán)調(diào)平要求，從而保證鉆孔垂直度。設(shè)有整機(jī)吊裝裝置，方便快速移位。

（5）活動(dòng)式封口盤(pán)通過(guò)油缸可實(shí)現(xiàn)封口大小的調(diào)節(jié)，可適應(yīng)不同孔徑施工要求；當(dāng)鉆孔施工時(shí)，兩封口盤(pán)對(duì)接處設(shè)計(jì)有封口翻板，可實(shí)現(xiàn)孔位的全封閉，防止人員或物件墜落至樁孔內(nèi)，提高了鉆機(jī)安全性。并創(chuàng)新的采用了對(duì)開(kāi)翻轉(zhuǎn)式或兩級(jí)平移折疊式封口盤(pán)，既滿足大孔徑封口要求，又能減小底盤(pán)尺寸，便于施工作業(yè)多機(jī)同時(shí)布置。

表15000 型鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

（6）動(dòng)力頭采用大扭矩大傳動(dòng)比傳動(dòng)，采用變頻電機(jī)、變量泵和變量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速和過(guò)載自動(dòng)保護(hù)，可調(diào)節(jié)選取最佳鉆速和扭矩施工，節(jié)能高效。采用了旋轉(zhuǎn)軸用齒形組合密封圈和鍍陶瓷先進(jìn)工藝，提高了密封效果，增加了密封圈的壽命。承重軸承和防跳軸承的使用，提高了抗沖擊能力和運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。

（7）采用全液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)置3臺(tái)液控柱塞變量主泵，其中2臺(tái)主泵給動(dòng)力頭鉆進(jìn)提供動(dòng)力，1臺(tái)主泵給動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，其中3臺(tái)主泵還可合流為動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)提供強(qiáng)大動(dòng)力。液壓站設(shè)有水冷卻器，以降低油溫，保證鉆機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。液壓管采用快換錐式密封方式，方便現(xiàn)場(chǎng)安裝使用。

（8）采用恒減壓自動(dòng)鉆進(jìn)技術(shù)，通過(guò)設(shè)置鉆壓后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保證在該鉆壓下恒壓自動(dòng)跟進(jìn)鉆孔施工，可大大減小操作人員施工強(qiáng)度，提高設(shè)備自動(dòng)化水平。

（9）智能操作系統(tǒng)，通過(guò)傳感器對(duì)鉆孔垂直度、鉆進(jìn)深度、鉆進(jìn)扭矩等參數(shù)的檢測(cè)，可實(shí)時(shí)記錄鉆機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)并做相關(guān)處理，智能操作系統(tǒng)可根據(jù)地質(zhì)情況和施工情況，自動(dòng)選擇最優(yōu)鉆孔鉆壓、鉆速和扭矩方案，有效保證成孔效率和成孔質(zhì)量。其與手動(dòng)操作鉆進(jìn)系統(tǒng)互鎖，保證安全。

（10）利用互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控鉆機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，包括工作參數(shù)和視頻，方便后臺(tái)遠(yuǎn)程管控，實(shí)現(xiàn)管理人員對(duì)鉆機(jī)施工情況的遠(yuǎn)程掌握和管理。

（11）鉆機(jī)排渣采用氣舉反循環(huán)系統(tǒng)，并增加中間儲(chǔ)能系統(tǒng)，提高了超深孔的氣舉排渣能力。

（12）鉆桿采用雙壁獨(dú)立通道結(jié)構(gòu)形式，采用新材料、新工藝，改善了鉆桿受力狀況，提高鉆桿使用壽命。在可容許范圍內(nèi)，鉆桿長(zhǎng)度加長(zhǎng)至4 m，以滿足最大鉆深180 m情況下盡量減少鉆桿接頭，減少鉆桿裝拆頻次提高工效，也降低連接螺栓斷裂掉鉆頭風(fēng)險(xiǎn)。鉆桿連接法蘭上配有螺栓防轉(zhuǎn)動(dòng)凹槽，裝拆鉆桿更便利。鉆桿內(nèi)風(fēng)管為可拆式鋼編織膠管結(jié)構(gòu)，可隨時(shí)更換，抗扭轉(zhuǎn)、抗剪切效果更好。

（13）鉆頭采用復(fù)合式截錐底結(jié)構(gòu)形式，刀具采用罐式鞍式混合布置，提高了鉆頭的破巖能力，有效的解決了大直徑鉆頭孔底排渣不暢問(wèn)題。刀具合理布置，提高破巖效率和延長(zhǎng)刀具壽命。

（14）鉆機(jī)能滿足5 m及以內(nèi)多種直徑鉆孔樁施工。鉆頭和鉆頭鼓形穩(wěn)定器均采用了可變直徑方式，均采用中心基本直徑塊外接加徑環(huán)塊的模式，既滿足鉆機(jī)通過(guò)改變鉆頭和穩(wěn)定器直徑而適應(yīng)5 m及以內(nèi)不同直徑鉆孔樁的要求，又最大程度充分利用現(xiàn)有鉆頭和穩(wěn)定器的中心基本直徑塊，經(jīng)濟(jì)適用。

（15）整機(jī)采用了先進(jìn)的油漆涂裝防腐工藝，滿足海上強(qiáng)腐蝕環(huán)境施工作業(yè)要求。鉆桿采用內(nèi)壁加厚、外壁涂油漆以抵抗海水腐蝕。

4 結(jié)語(yǔ)

5000型鉆機(jī)在平潭大橋的成功應(yīng)用，標(biāo)志著橋梁鉆孔樁鉆機(jī)已從內(nèi)陸江河湖泊走行沿海深海，開(kāi)創(chuàng)了橋梁大直徑鉆孔樁全斷面一次性成孔施工工法，推動(dòng)了超大孔徑、深海長(zhǎng)樁、硬巖橋梁鉆孔樁施工技術(shù)的發(fā)展。

T D 632

：A

：1671-0711（2017）12（下）-0110-02